基于水力压裂法的破碎围岩探注协同机制及控制技术研究*

王进尚，张亚峰，王玉玲，李润泽，杨艺杰

(郑州工程技术学院土木工程学院，河南 郑州 450044)

随着国民经济的快速发展，我国地下工程建设规模不断扩大，陆续建设一大批重大基础工程。由于隧道地质条件、地下工程项目建设深度的不断增加，导致地应力也将增大，在隧道和巷道施工过程中，顶板坍塌事故时有发生，对地下工程安全有着直接影响。尤其当地下工程施工遇到复杂破碎松散地质构造，导致岩体稳定性有所降低，为地下工程围岩涌水、冒顶等地质灾害提供条件，形成大量裂隙，诱发涌水、塌方等地质灾害，直接影响正常生产掘进[1-2]。地下工程施工中遇到破碎带时，形成围岩多风化破碎，具有稳定性差、受力复杂等特点[3-4]。如何彻底解决破碎围岩注浆问题，是当今地下空间科技领域中比较热门的命题。水压致裂法是一种预防构造突然坍塌的重要措施之一，目前由于海姆森经验公式中岩石的抗拉强度试验测得的误差较大，对确定破碎围岩范围有一定困难。因此，采取水压致裂法先探后注处治措施，研究隧道或巷道掘进中确定破碎围岩位置，明确注浆靶点，提高围岩的弹性模量，加强围岩强度，节约注浆量，减小浅部注浆固结圈荷载，降低隧道或巷道引起的冒顶失稳风险，保障地下工程巷道安全施工[5-7]。

1 水力压裂法的破碎围岩探注协同机制及装置研制

水压致裂法是主要应用测地应力的一种有效方法，研制了基于水压致裂法探查围岩破碎异常区装置，该装置主要由智能加压自动系统、封隔致裂室系统和数据自动采集分析系统组成：①智能加压自动系统 设定额定压力自动泄压自动回流，压力值不再升高；②封隔致裂室系统 采用耐高压胶囊材料在致裂室两端起到密封作用；③数据自动采集分析系统 即在致裂室布置传感器，水压值直接传到压力表。通过对比所测岩层抗拉强度大小来判断岩石完整或破碎情况，从而确定破碎异常区范围，如图1所示。针对异常区采用浅孔和深孔注浆时，先施工长注浆孔，长孔封堵影响区域封堵前方裂隙，起到帷幕屏障约束注浆区域作用，再施工短注浆孔，在有限空间充填裂隙加固煤岩体。每个循环采用长、短注浆孔配合方法，长孔前方封堵有限空间，短孔在有限空间加固煤岩体。通过采用破碎围岩探测装置、浅深孔配合注浆方法和注浆孔优化布置三位一体的水力压裂法的破碎围岩探注协同机制技术，节约注浆量，消除注浆空白带，减小浅部注浆固结圈荷载，并使浅部注浆固结圈与充填离层后的稳定顶板共同承载，有利于控制围岩变形，提高了断层破碎带地段围岩的稳定性,保障正常安全施工。

图1 水压致裂法探查围岩破碎异常区结构

首先在破碎围岩疑似处打钻孔，将装置伸入钻孔底部，再加压封隔器供水管，使两端膨胀器紧贴钻孔壁，形成定点定位封隔致裂室密闭空间，然后加压致裂室供水管，压力表值会继续上升，导致钻孔孔壁破裂，当液压压力表显示突然下降到一定值时，再迅速关闭压力泵。根据采集到的时间和压力数据，绘制出压力曲线(见图2)，并根据曲线图求解所需参数。从钻孔底部处依次按照上述步骤测岩层抗拉强度T,由于断层破碎带岩层抗拉强度较低，所测值较小便是需加强区域，通过此种方法确定注浆范围[8-10]。

图2 水压致裂法所测压力-时间过程曲线

2 相似模拟试验

2.1 相似模拟试验装置设计

根据水压致裂法原理和相似模拟试验原理研发的装置，由两端的气囊和中间部分相当于实际岩石中的裂缝钻孔部分，连接压力表、工程管路和高压泵，两端利用气囊封堵形成中间的致裂室进行相似模拟试验，采用水、砂、石膏、石灰等材料，按不同配合比模拟现场岩石的不同特性，根据岩石自身强度特性，先测得其破裂压力，在利用高压泵加压后，进行一次降压操作，再经过测得其重张压力，破裂压力减去重张压力即为岩石本身的抗拉强度。在地下工程中需测定破裂岩石的抗拉强度和正常岩石的抗拉强度做对比，以判读岩石的破碎范围和破碎区域，便于地下工程中为注浆提供一个可靠的参考指标，能更好地控制注浆量，达到降低成本、利于施工的目的。该装置主要由智能加压自动系统、封隔致裂室系统和数据自动采集分析系统组成，整个试验装置由模拟钻孔、封堵气囊、注水管、注水孔、致裂室、压力表、压力泵和压力泵共同组成(见图3)。各部分作用主要如下。

图3 水压致裂法相似模拟地下工程破碎围岩异常区试验装置

1)模拟钻孔 采用硬塑PVC管材，直径为160mm，长1m，最大承受压力5MPa，承载气囊、装载试验拌合物，通过气囊的加压封堵，形成一个密闭的加压空间，提供了试验环境。

2)封堵气囊 材质为橡胶，外径160mm，厚2mm，经充气后能完全贴合模拟钻孔，形成密封空间，起到封堵作用。

3)注水管 材质为橡胶软管，直径10mm，厚1mm，最大承受压力5MPa，用于连接致裂室、压力表和压力泵，通过压力泵注水，向致裂室内充水加压，为致裂室内岩土拌合物提供注水压力。

4)注水孔 位于模拟钻孔上，直径10mm，连接注水管，内外由橡胶垫密封，是注水管和致裂室的连通处。

5)致裂室 位于模拟钻孔内部，是由两端气囊封堵形成的内部空腔，用于装载试验用岩土拌合物，使拌合物在水的压力下在致裂室内部开裂，达到试验目的。

6)压力表 量程0～1MPa，压力表下接头三通阀门，可随时控制致裂室内的压力开关，使致裂室内压力暂时稳定并记录数据。

7)压力泵 气压型注水压力泵，最大水压力5MPa，连接压力管，可向致裂室内注入稳定的水压力，带有泄压阀，可缓慢泄压。

2.2 相似试验制作过程

1)材料制作 选用砂、石灰、石膏、水4种材料按配合比制作泥岩和砂质泥岩(见表1)。

表1 模型铺设分层材料用量

2)材料称量 在实验室拌制岩体试件时,其材料用量应以质量计,先后称量标准砂、石膏、石灰、水试验材料。泥岩的配合比按实际使用所需称量砂5kg、石灰0.45kg、石膏0.05kg。中质砂岩需要砂5kg、石灰1.35kg、石膏0.15kg。按比例进行称量。

3)材料拌合 试验所用的器具应先用水润湿。

4)装材料 按试验预定配合比配制岩土拌合物，将拌合物置于致裂室内压实，封闭致裂室。

5)加压数据采集 对泥岩和中质砂岩分别进行2次试验，第1次进行泥岩试验，首先放置材料进入装置，并进行密封，利用高压泵进行第1次加压测得压力表一次读数，然后进行一次降压操作获得第2次读数，再次利用高压泵施加第2次压力获得第3次读数。

3 试验过程及分析

对泥岩和中质砂岩2种材料压裂过程进行实时记录，分析压力与时间关系。在加压过程中采取3次加压，所测参数如表2所示，以保证取得可靠的压裂参数。

表2 泥岩和中质砂岩水压致裂法所测参数 MPa

由图4可看出，泥岩压力随着时间的增大而增大，在100～200s时泥岩压力达到最大值，当达到泥岩压力的峰值时，岩石已破碎，随着时间的推移，压力逐渐减小，但在100～200s后，泥岩破碎直到降到最小压力时岩石不再破碎。中质砂岩随着时间的推移，在100～200s时达到峰值，当压力达到最大时，岩石逐渐破碎，直到降到最小压力，岩石不再破碎。可看出最大压力>0.33MPa时岩石为中质砂岩，当最大压力<0.2MPa时岩石为泥岩，同时可看出泥岩破碎所需的最大压力大于泥岩，但两种岩石达到破碎状态后压力开始随时间的增加而下降，且两者下降趋势大致相同。

图4 水压致裂应力测试泥岩和中质砂岩对比压裂过程曲线

从而判断泥岩所测抗拉强度(0.07MPa)比中质砂岩(0.12MPa)小，认为所在区域为岩石破碎异常区，为岩石破碎异常区划定针对性注浆区域，避免注浆量浪费。

4 现场应用

某地下工程巷道围岩存在部分砂泥岩和粉砂岩力学强度低、易受水软化膨胀，破坏了岩石的原生结构，裂隙发育，岩石本身强度降低，因层间滑动夹在层间的薄层泥岩被揉成泥，失去原有结构，造成层与层之间呈离层状态，易造成巷道下沉变形冒顶，影响安全生产。基于水压致裂法探查围岩破碎异常区范围，根据巷道现场破坏范围长约30m，间隔10m布置4个探测孔，钻孔深20m,将探测装置放入钻孔底部，间隔5m布置4个测点，绘制围岩探测钻孔深度与水力压裂关系曲线，如图5所示，由于水力压力保持在0.5MPa以下区域，确定巷道松动圈在巷道内5m范围。在水力压力为0.3～0.5MPa时所在区域为巷道向外5～15m范围，说明围岩破碎异常区为巷道以外5～15m区间，该区域为重点关注注浆区域。巷道向外15m范围水力压裂值有所升高，压力在0.5～1.5MPa,说明该区域比巷道向外5～15m范围需岩性强度相对高，围岩较完整。

图5 围岩探测钻孔深度与水力压裂关系曲线

5 结语

1)通过实验室对泥岩和中质砂岩2种岩性进行模拟试验，直观展现破碎断层隧道演化动态全过程，并可获取隧道变形灾变演化的多元化信息。

2)自主研制了基于水压致裂法探查地下工程破碎围岩异常区装置，直观地测出地下工程不同围岩相对强度，根据所测相对围岩强度大小判断出破碎围岩异常区，确定注浆靶点，为采用加固注浆方式提供有效依据。

3)针对确定破碎围岩异常区位置，采取科学有效注浆措施，节约注浆量，消除注浆空白带，提高了断层破碎带地段围岩的稳定性，保证施工进行的稳定性、可靠性、安全性和持续性。